CN107782773B - 基于超声聚集方法的纳米气体传感器加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超声聚集方法的纳米气体传感器加工工艺，包括以下步骤：将纳尺度材料悬浊液的液滴滴在设于超声台或光滑基板上的超声针系统上；利用上述超声针系统中的超声物理效应在光滑基板或超声台上形成纳尺度材料的聚集物；将纳尺度材料的聚集物转印至基板或柔性基底上；将高分子聚合物溶液滴到或喷射到纳尺度材料的聚集物的表面，得到纳米混合物液滴；将超声振动板边缘插入纳米混合物液滴，在振动方向上前后移动超声振动板，利用声致流体分子间引力减小效应使得纳米混合物液滴扁平化，形成纳米复合材料膜；在纳米复合材料膜上外接引线，得到气体传感器。本发明提供的气体传感器加工工艺具有简单、绿色环保、适合于批量化生产等优点。
Description
技术领域
本发明属于气体传感器技术领域，尤其涉及一种基于超声聚集方法的纳米气体传感器加工工艺。
背景技术
气体传感器在环境监测、食品安全、医疗卫生等领域有着非常重要的应用。随着纳米技术的发展，金属氧化物半导体纳米颗粒、碳纳米材料、一维纳米线或二维纳米薄膜等都已经用来作为敏感材料构成气敏传感器，与传统传感器相比具有更加优异的检测性能，如在室温下工作、响应快、灵敏性高等。电阻型半导体气体传感器是目前市场上应用最广泛的一类气体传感器，其基本加工方法为：首先，采用各种方法制备粉末材料；其次，将粉末材料涂成浆料并手工涂覆在衬底上；最后，引出电极线，完成传感器的加工。这种以手工涂覆为核心的传感器加工工艺存在操作繁琐、可控性差且不易批量加工等缺点。
超声微纳操控技术具有对被操控样品的材料性能无选择性、结构简单、操作方便、操控功能多样、绿色环保等优点。基于超声非线性效应的微纳聚集技术，能在基板表面的液滴中聚集微纳米材料并形成多样化的聚集体图案，并且易于通过调节超声条件来控制聚集体图案的特征尺寸，因此在微纳加工制造领域具有良好的应用前景。
基于这样的背景，本发明基于超声微纳聚集技术，在室温下制备纳米气体传感器，该加工工艺具有制备方法简单、绿色环保、适合于批量化生产等优点。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于超声聚集方法的纳米气体传感器加工工艺，以解决技术中以手工涂覆为核心的传感器加工工艺存在操作繁琐、可控性差且不易批量加工等问题；本发明的加工工艺制备方法简单、绿色环保、适合于批量化生产。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种基于超声聚集方法的纳米气体传感器加工工艺，包括以下步骤：
（11）将纳尺度材料悬浊液的液滴滴在设于超声台或光滑基板上的超声针系统上；
（12）利用上述超声针系统中的超声物理效应在光滑基板或超声台上形成纳尺度材料的聚集物；
（13）利用聚合物印章将上述的纳尺度材料的聚集物转印至基板或柔性基底上；
（14）将高分子聚合物溶液滴到或喷射到纳尺度材料的聚集物的表面，得到纳米混合物液滴；
（15）将平直的超声振动板边缘插入纳米混合物液滴，在振动方向上前后移动超声振动板，利用声致流体分子间引力减小效应使得纳米混合物液滴扁平化，形成纳米复合材料膜；
（16）在纳米复合材料膜上外接引线，得到气体传感器。
优选地，所述加工工艺还包括：通过控制纳尺度材料悬浊液液滴的体积与浓度以及超声的条件，来控制纳尺度材料的聚集物的尺度和疏密度。
优选地，所述步骤（11）中的纳尺度材料为零维、一维或/和二维的金属纳尺度物体。
优选地，所述金属纳尺度物体为银纳米颗粒、银纳米线或/和还原石墨烯。
优选地，所述步骤（12）中的超声物理效应为声学流场。
优选地，所述步骤（12）中的纳尺度材料的聚集物为：纳尺度聚集物、微尺度聚集物或宏尺度聚集物。
优选地，所述步骤（12）中纳尺度材料的聚集物的平面形状包括：圆形、椭圆形、长方形或三角形中的一种或多种。
优选地，所述步骤（14）中高分子聚合物的材料为分子结构中包含羟基（-OH）的高分子聚合物。
优选地，所述步骤（14）中高分子聚合物的材料包含瓜尔胶或淀粉。
优选地，所述步骤（14）中喷射的方法为一般空气喷射或超声喷射。
本发明的一种基于超声聚集方法的纳米气体传感器加工工艺，包括以下步骤：
（21）将纳尺度材料悬浊液的液滴滴在设于超声台或光滑基板上的超声针系统上；
（22）利用上述超声针系统中的超声物理效应在光滑基板或超声台上形成纳尺度材料的聚集物；
（23）将高分子聚合物溶液滴到或喷射到基板或柔性基底上；
（24）利用聚合物印章将纳尺度材料的聚集物转印至高分子聚合物上，得到纳米混合物液滴；
（25）将平直的超声振动板边缘插入纳米混合物液滴，在振动方向上前后移动超声振动板，利用声致流体分子间引力减小效应使得纳米混合物液滴扁平化，形成纳米复合材料膜；
（26）在纳米复合材料膜上外接引线，得到气体传感器。
本发明的有益效果：
本发明的纳米气体传感器加工工艺由于基于超声方法，具有制备方法简单、绿色环保、适合于批量化生产等优点；所制得的气体传感器具有在室温下工作，对于传感气体的可选择性强等优点。
附图说明
图1为本发明加工工艺的流程图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的一种基于超声聚集方法的纳米气体传感器加工工艺，包括以下步骤：
（1）将纳尺度材料悬浊液的液滴滴在设于超声台或光滑基板上的超声针系统上；
（2）利用上述超声针系统中的超声物理效应在光滑基板或超声台上形成纳尺度材料的聚集物；
（3）利用聚合物印章将上述的纳尺度材料的聚集物转印至基板或柔性基底上；
（4）将高分子聚合物溶液滴到或喷射到纳尺度材料的聚集物的表面，得到纳米混合物液滴；
（5）将平直的超声振动板边缘插入纳米混合物液滴，在振动方向上前后移动超声振动板，利用声致流体分子间引力减小效应使得纳米混合物液滴扁平化，形成纳米复合材料膜；
（6）在纳米复合材料膜上外接引线，得到气体传感器。
下面借助于几个实施例来说明本发明提供的基于超声聚集方法的纳米气体传感器加工工艺，在以下实施例中，传感气体为氨气，纳尺度材料为银纳米颗粒，高分子聚合物溶液为瓜尔胶水溶液，该气体传感器的传感机理为：在室温环境下，银纳米颗粒破坏瓜尔胶的氢键和羟基（-OH），使得环境中的氧气分子以氧负离子（O2 -）的形式吸附在纳米复合材料膜的表面，进而使得纳米复合材料膜成为n型半导体，当氨气分子接触到纳米复合材料膜的表面时，会带走氧气分子并释放出电子导致纳米复合材料膜的导电性增强，从而实现氨气的传感。
实施例1：在室温环境下，将9mg银纳米颗粒（直径40nm）加入到100ml的去离子水中，经过5min时间的超声分散处理形成银纳米颗粒悬浊液，用滴管吸取1ml的银纳米颗粒悬浊液并滴在超声台上；利用超声台上的液滴系统中的声学流场，在基板上形成银纳米颗粒的聚集物（超声台中心点振动速度为20mm/s，聚集时间为1min），聚集物平面形状为圆形，直径为500nm，厚度为200nm；待液滴干燥后；利用PDMS印章将银纳米颗粒聚集物转印至柔性塑料片上；用滴管将2ml浓度为0.025mg/ml的瓜尔胶水溶液滴在银纳米颗粒聚集物的表面，得到纳米混合物液滴；将平直的超声振动板边缘插入纳米混合物液滴，在振动方向上前后移动超声振动板，超声振动板的振动速度为200mm/s，声处理时间为5min，使得纳米混合物液滴扁平化，形成直径为2cm的圆形纳米复合材料膜；在纳米复合材料膜上外接引线，得到气体传感器，其电阻值为15.6兆欧。
实施例2：在室温环境下，将9mg银纳米颗粒（直径400nm）加入到100ml的去离子水中，经过5min时间的超声分散处理形成银纳米颗粒悬浊液，用滴管吸取1ml的银纳米颗粒悬浊液并滴在超声台上；利用超声台上的液滴系统中的声学流场，在基板上形成银纳米颗粒的聚集物（超声台中心点振动速度为200mm/s，聚集时间为3min），聚集物平面形状为圆形，直径为200μm，厚度为40μm；待液滴干燥后；利用PDMS印章将银纳米颗粒聚集物转印至柔性塑料片上；用滴管将2ml浓度为0.025mg/ml的瓜尔胶水溶液滴在银纳米颗粒聚集物的表面，得到纳米混合物液滴；将平直的超声振动板边缘插入纳米混合物液滴，在振动方向上前后移动超声振动板，超声振动板的振动速度为200mm/s，声处理时间为5min，使得纳米混合物液滴扁平化，形成直径为2cm的圆形纳米复合材料膜；在纳米复合材料膜上外接引线，得到气体传感器，其电阻值为15.1兆欧。
实施例3：在室温环境下，将9mg银纳米颗粒（直径400nm）加入到100ml的去离子水中，经过5min时间的超声分散处理形成银纳米颗粒悬浊液，用滴管吸取1ml的银纳米颗粒悬浊液并滴在超声台上；利用超声台—液滴系统中的声学流场，在基板上形成银纳米颗粒的聚集物（超声台中心点振动速度为600mm/s，聚集时间为10min），聚集物平面形状为圆形，直径为1.2mm，厚度为70μm；待液滴干燥；利用PDMS印章将银纳米颗粒聚集物转印至柔性塑料片上；用滴管将2ml浓度为0.025mg/ml的瓜尔胶水溶液滴在银纳米颗粒聚集物的表面，得到纳米混合物液滴；将平直的超声振动板边缘插入纳米混合物液滴，在振动方向上前后移动超声振动板，超声振动板的振动速度为200mm/s，声处理时间为5min，使得纳米混合物液滴扁平化，形成直径为2cm的圆形纳米复合材料膜；在纳米复合材料膜上外接引线，得到气体传感器，其电阻值为14.5兆欧。
实施例4：在室温环境下，将9mg银纳米颗粒（直径400nm）加入到100ml的去离子水中，经过5min时间的超声分散处理形成银纳米颗粒悬浊液，用滴管吸取1ml的银纳米颗粒悬浊液并滴在光滑基板—超声针系统上；利用基板—液滴—超声针系统中的声学流场，在基板上形成银纳米颗粒的聚集物（超声针根部振动速度为1400mm/s，聚集时间为15min），聚集物平面形状为椭圆形，长轴为700μm，短轴为500μm，厚度为50μm；待液滴干燥后；利用PMMA印章将银纳米颗粒聚集物转印至新基板上；用滴管将2ml浓度为0.025mg/ml的瓜尔胶水溶液滴在银纳米颗粒聚集物的表面，得到纳米混合物液滴；；将平直的超声振动板边缘插入纳米混合物液滴，在振动方向上前后移动超声振动板，超声振动板的振动速度为200mm/s，声处理时间为5min，使得纳米混合物液滴扁平化，形成直径为2cm的圆形纳米复合材料膜；在纳米复合材料膜上外接引线，得到气体传感器，其电阻值为14.9兆欧。
实施例5：在室温环境下，将9mg银纳米颗粒（直径400nm）加入到100ml的去离子水中，经过5min时间的超声分散处理形成银纳米颗粒悬浊液，用滴管吸取1ml的银纳米颗粒悬浊液并滴在光滑基板—超声针系统上；利用基板—液滴—超声针系统在基板上形成银纳米颗粒的聚集物（超声针根部振动速度为500mm/s，聚集时间为10min），聚集物平面形状为圆形，直径为350μm，厚度为40μm；待液滴干燥后；利用PMMA印章将银纳米颗粒聚集物转印至新基板上；用滴管将2ml浓度为0.025mg/ml的瓜尔胶水溶液滴在银纳米颗粒聚集物的表面，得到纳米混合物液滴；将平直的超声振动板边缘插入纳米混合物液滴，在振动方向上前后移动超声振动板，超声振动板的振动速度为200mm/s，声处理时间为5min，使得纳米混合物液滴扁平化，形成直径为2cm的圆形纳米复合材料膜；在纳米复合材料膜上外接引线，得到气体传感器，其电阻值为14.7兆欧。
此外，本发明的一种基于超声聚集方法的纳米气体传感器加工工艺，其中，步骤（3）和（4）可以互换，即先将高分子聚合物溶液滴到或喷射到基板或柔性基底上，再利用聚合物印章将纳米聚集物转印至高分子聚合物上，得到纳米混合物液滴。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于超声聚集方法的纳米气体传感器加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(11)将纳尺度材料悬浊液的液滴滴在设于超声台或光滑基板上的超声针系统上；
(12)利用上述超声针系统中的超声物理效应在光滑基板或超声台上形成纳尺度材料的聚集物；
(13)利用聚合物印章将纳尺度材料的聚集物转印至基板或柔性基底上；
(14)将高分子聚合物溶液滴到或喷射到纳尺度材料的聚集物的表面，得到纳米混合物液滴；
(15)将平直的超声振动板边缘插入纳米混合物液滴，在振动方向上前后移动超声振动板，利用声致流体分子间引力减小效应使得纳米混合物液滴扁平化，形成纳米复合材料膜；
(16)在纳米复合材料膜上外接引线，得到气体传感器；
所述纳尺度材料为银纳米颗粒、银纳米线或/和还原石墨烯；
所述高分子聚合物溶液为瓜尔胶水溶液。
2.根据权利要求1所述的基于超声聚集方法的纳米气体传感器加工工艺，其特征在于，所述加工工艺还包括：通过控制纳尺度材料悬浊液液滴的体积与浓度以及超声的条件，来控制纳尺度材料的聚集物的尺度和疏密度。
3.根据权利要求1所述的基于超声聚集方法的纳米气体传感器加工工艺，其特征在于，所述步骤(12)中的超声物理效应为声学流场。
4.根据权利要求1所述的基于超声聚集方法的纳米气体传感器加工工艺，其特征在于，所述步骤(12)中的纳尺度材料的聚集物为：纳尺度聚集物、微尺度聚集物或宏尺度聚集物。
5.根据权利要求1所述的基于超声聚集方法的纳米气体传感器加工工艺，其特征在于，所述步骤(12)中纳尺度材料的聚集物的平面形状包括：圆形、椭圆形、长方形或三角形中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的基于超声聚集方法的纳米气体传感器加工工艺，其特征在于，所述步骤(14)中喷射的方法为一般空气喷射或超声喷射。
7.一种基于超声聚集方法的纳米气体传感器加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(21)将纳尺度材料悬浊液的液滴滴在设于超声台或光滑基板上的超声针系统上；
(22)利用上述超声针系统中的超声物理效应在光滑基板或超声台上形成纳尺度材料的聚集物；
(23)将高分子聚合物溶液滴到或喷射到基板或柔性基底上；
(24)利用聚合物印章将纳尺度材料的聚集物转印至高分子聚合物上，得到纳米混合物液滴；
(25)将平直的超声振动板边缘插入纳米混合物液滴，在振动方向上前后移动超声振动板，利用声致流体分子间引力减小效应使得纳米混合物液滴扁平化，形成纳米复合材料膜；
(26)在纳米复合材料膜上外接引线，得到气体传感器；
所述纳尺度材料为银纳米颗粒、银纳米线或/和还原石墨烯；
所述高分子聚合物溶液为瓜尔胶水溶液。
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